新穎材料器件為全息顯示帶來的新機遇?

彭瑋婷劉娟1 李昕12 薛高磊韓劍13 胡濱王涌天1

1)(北京理工大學光電學院,北京市混合現實與新型顯示工程技術研究中心,北京 100081)

2)(南洋理工大學電氣與電子工程學院,新加坡 639798)

3)(北京控制與電子技術研究所,信息系統工程重點實驗室,北京 100038)

1 引 言

1.1 全息顯示

視覺是人類獲取外界信息的首要來源,為了獲得更多、更豐富的視覺信息,研究者們在顯示領域投入了大量的精力,使得顯示技術成為光學領域中最重要的研究方向之一,也使得顯示產業成為信息領域重要的支柱型產業.隨著信息時代的高速發展,人們對信息顯示的要求日益提升,具有多維度的三維顯示技術因其能夠構建真實或者虛擬的三維場景使人身臨其境,并能廣泛應用于科研教育、衛生醫療、文化娛樂、工業設計、國防軍事等諸多領域,成為目前的研究熱點.另一方面,近年來近眼顯示系統(near-eye display,NED)作為一種頭戴式顯示(head-mounted display,HMD)系統[1,2],因其能夠將虛擬場景信息與實際場景相互融合實現混合現實(mixed reality)顯示成像而受到了越來越多的關注與研究.但是目前普遍的商用化顯示系統無法滿足人們所需的重量輕、體積小、功能強等使用要求,同時現有商品化的三維顯示方案僅能滿足人眼觀察三維場景時所需的部分生理和心理深度暗示,其中某些暗示之間的矛盾導致在長時間觀看時引起視疲勞現象[3].

全息技術是基于光波波前記錄與再現的技術,這種技術能夠有效重建出目標光波的場分布而實現圖像深度信息的重建,在原理上具有其他顯示技術無法比擬的優勢.全息投影顯示利用可刷新的光電器件作為顯示調制器件,能夠有效提高系統的光能利用率;全息三維顯示通過重建目標場景圖像的物光波信息,從原理上避免了人眼觀察時產生深度暗示矛盾,被認為是終極的三維顯示方案;另一方面,利用全息原理可以設計加工出各種輕型化和小型化的高性能光學元件,如全息光學元件,這些光學元件還具有透射率高、加工成本低、受使用環境影響小等特點.由于這些優勢,全息顯示技術被認為是最具潛力的一種顯示技術.

全息光電元器件[4?13]包括實現成像作用的全息元件以及實現任意波前調控的空間光調制器(spatial light modulator,SLM)等.現有的全息顯示器件依然存在著諸多問題,制約了全息顯示系統的性能,使其尚無法滿足實際需求.一方面,全息顯示質量受到可刷新調制器件的時間-空間(時空)帶寬積的限制.空間光調制器能通過光寫入(尋址)或電寫入(尋址)[14]方式對調制器像素單元加載數據而形成二維光學信息分布,通過對目標波前的干涉記錄與衍射重建實現對入射光波的調控從而用于全息成像.傳統空間光調制器像素單元尺寸相對于光波長大很多,現有的空間光調制器最小像素尺寸約為3.74μm,因而視場角相對較小,導致對顯示物體大小及分辨率產生一定的限制.同時,空間光調制器寫入系統的性能[15]影響圖像刷新速率,目前最大刷新速率為60 Hz,從而對動態全息顯示的發展帶來影響.另一方面,現有全息顯示器件限制了顯示圖像質量.作為一種色散器件,全息光學元件在全息波導顯示系統中會導致耦合輸入光波產生嚴重的色散現象,因而在實現彩色顯示進行多波長配色的研究過程中,針對全敏材料的透光率不足有了多種改進方案[13?16],但在效率、消色差效果等問題上依然難以滿足要求.此外,作為成像器件的空間光調制器各像素之間存在不可調制區域,其形成的“死區”會造成固定的背景噪聲[17].對于可調制因素來說,盡管不同類型的空間光調制器具有不同的調控曲線(operating curves)[18],但它們均無法實現同時、獨立、精確地調控入射光波的振幅與相位,從而在一定程度上限制了真三維全息顯示.

新穎材料包含超穎材料(metamaterial)、超構表面(metasurface)、二維材料(2D material)等新材料,它們的組成單元——超構原子(meta-atoms)是具有亞波長尺寸的像素單元,其單元尺度相近于光波長,甚至可達到小于200 nm的長度.相比于傳統空間光調制器最小3.74μm的像素單元尺度,在其可加載信息密度、成像視場角等方面,都有著極大的改善,利用這個特性,可將新穎材料運用于全息顯示中,能夠獲得更大的視場角和更高分辨率的再現像,提高顯示的空間帶寬積,從而提升全息顯示圖像的質量.同時,通過對超構原子的結構及空間位置等參數進行設計,能實現對入射光波振幅和相位信息的調控,從而在很大程度上增加了全息顯示的可調控性.基于新穎材料在全息顯示中的優良特性,研究人員提出了各種基于新穎材料的波前調制器件,例如利用等離子金屬光柵構建彩色全息顯示器件[19].自此,以超穎材料、超構表面、二維材料等新材料為基礎研制的新型全息顯示器件,因其新穎的特性為全息顯示帶來了新的機遇與發展方向.

1.2 新穎材料與器件

超構表面是一種新穎的人工材料[20?22],由特殊設計、加工而得到的特征尺寸接近或小于波長的亞波長超構原子[23]構成,可根據附加在超構原子上的特異電磁特性對電磁波進行調控,從而實現對光波的操作.要實現這種操作,需通過對超構原子的結構參數,包括超構原子的結構、空間位置關系等進行優化設計,從而有效地實現對器件介電常數與電導率參數的控制,進而形成針對特定波長或者特定波長范圍內電磁波諧振響應強度與相位延遲的操作,實現對入射光波的振幅調控和相位調控.2011年,哈佛大學Capasso等[24]通過這種相位延遲的調控方式,獲得了對入射光波波前的調制作用而實現了對入射光的方向偏折,如圖1所示.此后,超構原子的這一調控特性被廣泛應用于實現多種具有特殊功能的光學元器件[25?29].

除了結構參數外,超構原子本身的材料同樣影響其對電磁響應的程度.金屬材料是最早用作構建超穎材料和超構表面材料,但受限于金屬的損耗特性,這類超構原子轉換效率較低.而通過改變金屬超構原子的結構、入射光方向[30],或改變超構原子的材質,選用電介質材料構建超構原子等[31?34],能實現對其轉換效率的提升.而相比于金屬材料,電介質材料本身的電磁響應相對較弱,基于此原理的電介質材料超構原子利用重疊的電共振與磁共振模式能實現亞波長量級超構原子調制單元,但部分電介質材料超構原子,例如基于波導傳輸模式的電介質材料超構原子往往具有較大的厚度,需要波長量級的厚度,因此在加工方面有一定的限制.

圖1 新穎材料實現波前調制基本原理圖 (a)相位延遲原理;(b)新穎材料波前調制原理示意圖[24]Fig.1.Schematics used to realize the wavefront control by the metamaterial:(a)Schematics of the phase delay;(b)schematics of the wavefront control[24].

圖2 新穎材料的幾個應用 (a)渦旋光束[24];(b)1/4波片的超穎表面[41];(c)“隱身斗篷”[44]Fig.2.Some popular applications of metamaterial:(a)An optical vortex created by the metasurface[24];(b)metasurface of quarter-wave plate[41];(c)an ultrathin meta surface of invisibility skin cloak for visible light[44].

超穎材料往往具有多層結構,形成三維單元分布[20,21],通過對超構原子的參數進行設計,使其同時具有負磁導率以及負介電常數,能構建出負折射率超穎材料[20].這樣的超穎材料被應用于實現各種傳統光學無法實現的特異功能[23?29].同時超構表面由單層超構原子構成,加工更簡便,設計更靈活,具有對光波特異調制的性質,被廣泛應用于實現異常光的調控中,例如能產生各種不同的渦旋光束與矢量光束(圖2(a))[35?38]、應用于各種光子自旋現象[39,40]、實現各種不同的偏振轉換器件(圖2(b))[41,42]、形成光鑷以實現對微小顆?；蚣毎牟倏豙43]、構建超薄的“隱身斗篷”(圖2(c))[44]、實現不同的邏輯運算[45]等.同時,在非線性條件下,超構表面也有著不同的電磁響應特性[46,47].

其他新穎材料也因其優異的電磁響應受到研究者的廣泛關注.如二維材料作為新穎材料的一類,其厚度僅為納米量級,在物理特性上呈現出普通三維材料所不具備的性質[48,49].石墨烯是目前最受關注的二維材料之一,它是由單層碳原子緊密堆積成二維蜂窩狀晶體結構的一種新型碳質材料,保持了近乎完美的機體結構和優異的晶體學性質,蘊含了豐富而新奇的物理現象[50].石墨烯氧化物也是一種性能優異的新型碳材料,其具有較高的表面積和豐富的表面官能團,容易在水溶液中分散,形成單個小片段,而氧化石墨烯復合材料更是具有廣泛的應用領域.利用氧化石墨烯復合材料構建的光學器件,能夠在實現光學調控特性的同時保證器件尺寸遠遠小于波長,這是傳統的全息顯示器件無法實現的[51].此外,處于研究前沿的拓撲絕緣體材料也被應用于新穎器件的研制中[52].拓撲絕緣體是一種不同于金屬和絕緣體的全新物態[53],其最直觀的性質就是材料內部為絕緣體,而表面卻能表現出“金屬”的特性.這種內部與表面的性質差異使其能夠有效地控制電磁場沿各個方向的傳播,從而實現特異電磁調控.同樣,利用拓撲絕緣體的電磁特性,能夠制造出包括光隔離器在內的多種光學器件[54].

由此可見,新穎材料通過對納米尺度像素單元結構及材料的設計,能實現對入射光波波前的良好控制.而全息重建作為超構表面中一個重要的應用方向[55?57],能夠利用對超穎材料、超構表面、二維材料等進行合理設計和構建,獲得具有良好光波調控性能的全息元器件,從而實現傳統全息光學元器件無法實現的功能與特性,為全息顯示帶來新機遇和發展方向.

2 新穎材料全息顯示

2.1 新穎材料全息元件

全息光學元件是利用全息的方法記錄加工得到的具有一定光學功能的元件.其相比于傳統的折反射型的光學元件而言具有超薄的特性,能夠有效地減少系統體積.然而如前文所述,全息顯示中應用的全息光學元件具有諸多問題,因此需要設計、研制新型的全息元件以提升全息顯示系統的性能指標.利用新穎材料設計研制的全息元件,能夠替代傳統全息光學元件,在保留其超薄特性的前提下,實現高效率、無色散等目標.新穎材料全息元件是通過超構原子在器件表面形成特定的相位延遲分布以實現不同的功能[24,58,59].例如,當運用超構原子在器件表面附加梯度相位時,能夠使入射光線發生偏折[24,59],從而實現對光線方向的控制.這種元件與全息光柵的功能相一致,但與傳統體全息光柵器件不同的是,這種超薄新穎材料器件并不具有體積效應,從而減小了布拉格效應對顯示性能的影響與制約.類似地,通過設計更加復雜的器件相位分布,新穎材料全息元器件還能夠實現超薄光學透鏡[60]等功能.

圖3 (a)新穎材料復振幅調制理想模擬全息像;(b),(c)不同調制階梯模擬像;(d)實驗再現像[55]Fig.3.(a)The simulated holographic images created by an ideal metasurface hologram with smooth phase and amplitude modulations;(b),(c)the simulated holographic images created by a metasurface hologram with different level phase and amplitude modulation;(d)holographic images obtained experimentally from the fabricated samples[55].

對于全息顯示而言,利用新穎材料的線性光學響應及電磁響應特性,通過對光波的振幅、相位等信息進行調制,能夠有效地實現全息顯示.當超構原子間的電磁耦合較弱時,超構原子幾何旋轉角度與圓偏振的正交偏振態出射光波的相位延遲成正相關,可以通過控制超構原子的空間旋轉角實現全息圖信息的加載.針對超構原子結構及空間位置進行設計能夠獲得對入射光相位調制的結果,根據調制結果進行優化設計,便能實現振幅型、相位型以及復振幅型全息顯示.如圖3所示,運用超穎材料對全息圖振幅及相位信息進行同時編碼而實現的復振幅調制功能是傳統器件無法實現的[55,61,62],其有效地提高了顯示信息密度,也在一定程度上提高了三維全息顯示的真實性.此外,超構原子的特異結構使其具有各向異性[63,64]或各向同性[65,66]的電磁響應,其中具有各向異性超構原子的超構表面與超穎材料能夠對兩個正交偏振態實現不同的電磁響應.因此在這兩個響應中加載不同的全息圖信息,如圖4(a)所示,即可運用單一顯示器件呈現不同的顯示結果[67?73].無論是正交線偏振光[68?70]、圓偏振光[71?73]還是任意正交的完全偏振態[74],均可以通過對超構原子的特異結構進行設計來實現這一功能.

由于光波亞波長結構尺度存在加工難度問題,為了簡化結構設計、降低加工難度,提高波前調控準確度、提升全息圖的顯示質量,通常選擇簡單的幾何形狀超構原子應用于全息顯示,同時對全息信息進行階梯量化處理[56].特別是利用全息的迂回編碼技術,可以通過控制超構原子的位置等參數實現對全息圖的加載以及目標圖像的重建[75].值得注意的是,超構原子尺寸遠小于波長使得記錄倏逝波成分信息成為可能,因此改變再現光入射角度時即可以實現重建更多的圖像信息[76],這是基于傳統全息顯示器件無法實現的,也為大容量新穎全息顯示帶來可能.

相比于傳統全息影像重建,新穎材料全息顯示具有自由度高、編碼信息靈活等優勢,且新穎材料的亞波長結構使得再現光波無法分辨其中的細節信息,從而避免了空間光調制器“死區”結構產生的背景噪聲,也在增大信息容量的情況下獲得更大的視場角,有助于實現高質量全息顯示.

2.2 非線性新穎材料全息顯示

非線性超穎材料與非線性超構表面同樣具有特異的波前調制特性,而利用這種非線性效應能夠實現全息圖像的多圖重建.超構原子的非線性特異電磁特性同樣能引入特定的相位延遲,與線性響應不同的是,超構原子的非線性效應能夠在兩個正交偏振態的高次諧波中引入不同的相位延遲.根據這一特性,能夠實現如圖4(b)所示的線性通道和兩個非線性通道中顯示重建出不同的全息圖像[77,78].此外,利用多層的非線性超穎材料也能夠進一步提高全息信息的寫入密度,在不同的偏振態方向顯示不同的圖像[79].相比于利用傳統顯示器件的全息顯示而言,通過這些復用方式,非線性新穎超穎材料和非線性新穎超構表面全息顯示的信息密度有顯著的提升.但受限于非線性變換能量的衰減,非線性調控目前仍然存在效率不夠高的問題.

圖4 (a)利用新穎材料線性特性實現不同線偏振光入射實現不同全息顯示[69];(b)利用新穎材料非線性特性實現線性通道和兩個非線性通道中顯示重建出不同的全息圖像[77]Fig.4.(a)Results of different holographic display obtained using linearity of the metamaterial[69];(b)results of different holographic display obtained using nonlinearity of the metamaterial[77].

2.3 彩色全息顯示

與傳統顯示器件相同,新穎材料器件也是色散器件,能夠對不同入射光產生不同的電磁響應.借鑒于傳統顯示器件實現二維、三維彩色顯示的技術,利用新穎材料全息顯示器件的各種調控方式,如圖5所示,同樣也可以實現彩色圖像的重建.利用彩色顯示中的像素分離法,可使新穎材料全息顯示器件上不同像素單元控制不同波長(顏色)入射光,合并實現一個彩色的全息像素,從而實現彩色圖像的重建[80,81].但由于一個彩色像素中包含多個子波前控制單元,因此無法保證彩色像素依然遠小于波長.而運用新穎材料全息顯示器件的各向異性調控特性,通過優化設計調控單元參數獲得在兩個正交偏振方向上對不同波長產生不同的響應,即可以實現雙色全息圖像顯示[67,68].此外,通過運用全息顯示中復合彩色全息編碼方法,能實現將紅綠藍三色通道的全息圖信息編碼到同一幅全息圖上.因而,通過將編碼信息映射到新穎材料全息器件上,即能夠在成像區域顯示彩色圖像[82],并可以通過多色通道疊加[82,83]實現彩色全息圖的合成.

圖5 不同方法獲得新穎材料彩色全息圖 (a),(b)像素分離法[80,81];(c)偏振控制法[67];(d)復合彩色全息編碼方法[82]Fig.5.The different ways to get the full-color metamaterial hologram:(a),(b)Pixel separation[80,81];(c)polarization control[67];(d)wavelength-multiplexed holographic coding method[82].

2.4 高效率全息顯示

目前,衍射效率低是限制超穎材料、超構表面和二維材料在波前調制應用中的主要問題.由于透射式金屬超構原子本身損耗特性的限制,轉換效率通常較低,為了提高調控效率,研究者對超構原子的結構、材質等方向進行改進,從而實現高效率全息顯示.利用圖6(a)中的金屬-介質-金屬的反射式結構,能通過構建金屬微納天線與金屬反射層法布里-珀羅諧振腔以增加出射光強度,從而將全息圖的衍射效率提高到80%[30].

圖6 (a)金屬反射式結構高效率全息顯示[30];(b)電介質材料高效率全息顯示[84]Fig.6.(a)High efficiency metallic re fl ective nano-structure hologram[30];(b)high efficiency dielectric metasurface hologram[84].

此外,運用電介質材料超構原子也能構建高衍射效率全息圖.采用圖6(b)所示的非晶硅納米方柱陣列構建超穎表面全息圖,可獲得75%—93%的衍射效率[84],運用多晶硅納米圓柱片設計的灰階全息圖能達到超過90%的衍射效率[34].同樣,運用TiO2材料納米單元對全息圖信息進行編碼,能將衍射效率提升到78%—82%甚至更高[32],并可實現可見光波段全息顯示.

2.5 動態全息顯示

盡管新穎材料具有優異的電磁調控特性,但受到加工能力的限制,主要的研究工作都在靜態顯示中展開.隨著技術的發展進步,研究者們也開始將目光放到動態新穎全息顯示器件的研制上[85],為新穎材料器件突破時間帶寬積限制提供了方向.超構原子的電磁響應特性往往受到外界的影響,特別是金屬材料的超構原子在外加電場的情況下即可實現調控性能的調諧[86].運用附著石墨烯等二維導電材料也同樣能通過控制超構原子周圍的外界電場實現改變超構原子的電磁特性[87,88],也可通過構建石墨烯-硅混合二極管控制入射波的通斷[89].此外,通過分析基底特性對超構原子電磁調控特性的影響,利用輔助電磁場也可以實現改變超構表面全息顯示器件加載的信息[90].這些方法主要利用整體調控的方式實現器件調制特性的改變,因而較難實現對每個超構原子精確而獨立的調控.通過運用動態超構原子構建的動態波前調控器件[91]及其相類似的通過微機電系統對超構原子的諧振結構進行控制[92,93],利用微流系統控制液態金屬-空氣結構超構原子的開口環諧振腔參數[94],以及運用電路控制二極管超構原子加載不同全息圖信息[95]等方法,都能有效地實現動態調控信息的加載,也能運用在實現單像素信息的刷寫中.然而受到技術的限制,目前這類器件僅能實現對微波、太赫茲等長波長電磁波的調控.

圖7 多種動態新穎材料全息元件 (a)外界電場控制附著石墨烯超構原子改變超構原子的電磁特性[87];(b)輔助電磁場控制基底特性改變加載信息[90];(c)動態超構原子構建的動態波前調控器件[91];(d)微機電系統控制超構原子的諧振結構[93];(e)微流系統控制液態金屬-空氣結構超構原子[94]Fig.7.A variety of dynamically recon fi gurable metamaterial holographic elements:(a)The external electric fi eld controls the electromagnetic properties of optical antennas on graphene[87];(b)tunable wave plate based on active plasmonic metasurfaces[90];(c)dynamic wavefront regulatory devices working by the recon fi gurable metamaterials[91];(d)tunable multiband terahertz metamaterials using a recon fi gurable electric split-ring resonator array[93];(e)tunable metamaterial with split ring in the array altered by changing the metal fi lling fraction[94].

2.6 新材料全息顯示元件

在運用其他新穎材料方面,最近的研究利用氧化石墨烯材料與拓撲絕緣體材料實現了全息圖像的重建.基于氧化石墨烯材料的全息圖(圖8(a))是利用甩膜的方法在玻璃襯底上制備一層氧化石墨烯薄膜,然后利用并行多焦點陣列飛秒激光直寫系統在制備的氧化石墨烯薄膜上進行全息圖加工.在此過程中,超小聚焦的飛秒激光光束會將氧化石墨烯還原以使折射率發生變化,從而實現全息信息加載.通過這種方式再現的全息三維圖像的視場角能夠達到52°[51].

圖8 (a)利用氧化石墨烯材料實現大視場角彩色三維全息顯示[51];(b)利用拓撲絕緣體實現全息三維顯示[52]Fig.8.(a)rGO holograms for 3D images with wide viewing angles and color images[51];(b)hologram for 3D images based on a topological insulator material[52].

此外,利用拓撲絕緣體內部與表面折射率不同的特性,也能實現表面電磁場分布的控制作用,從而實現如圖8(b)所示的全息顯示信息的表達.全息圖制作過程中利用了原子層沉積的方法制備Sb2Te3拓撲絕緣體薄膜,后通過多焦點陣列激光直寫系統實現全息圖刻寫,最后運用紅綠藍三色參考光分別成功再現全息圖像[52].復振幅全息顯示等傳統器件無法完成的任務.目前新穎材料器件依舊存在一定問題,例如設計、加工較為復雜,部分元器件效率較低,實現動態顯示難度大等.但是,可以預見的是,隨著加工技術的不斷提升,新穎材料全息顯示元器件將得到進一步完善,推動全息顯示的發展,從而使全息顯示早日得到廣泛的應用.

3 結 論

隨著全息顯示技術的發展與更迭,以超穎材料、超構表面和二維材料為代表的新穎結構材料為全息顯示帶來了新的發展機遇.新穎材料全息元件與顯示器件的納米調制單元以及其構成的超薄結構突破了傳統器件對全息顯示性能的制約.新穎材料全息元件在實現特殊光學元件的偏折、會聚和發散等功能時能夠在具有超薄厚度的同時消除色差、擴大視場角,而將新穎材料器件應用于全息顯示中,能夠有效地避免傳統顯示器件像素結構對成像質量的影響,擴大傳統全息顯示空間光調制器件的空間帶寬積限制,還能夠實現諸如高顯示密度、

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